在生物體重要物質(zhì)的復(fù)習(xí)中培養(yǎng)系統(tǒng)思維
——以ATP的復(fù)習(xí)為例

四川

世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素，該項(xiàng)研究的主要參加者鄒承魯院士說：“......我發(fā)現(xiàn)許多生命科學(xué)的問題，都要到細(xì)胞中尋找答案，而對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)規(guī)律的闡明，又必須建立在闡明生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上。所以我一生都在從事生物大分子的研究。”生物體內(nèi)的生物大分子有DNA、RNA、蛋白質(zhì)等，除此以外生物體內(nèi)還有很多重要的物質(zhì)，如細(xì)胞代謝中的酶與ATP，在高中階段的各部分生物知識(shí)學(xué)習(xí)中都有它們的身影，因此對(duì)這些重要物質(zhì)進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí)，在研究相關(guān)試題的基礎(chǔ)上，綜合高中階段所有相關(guān)知識(shí)，教師運(yùn)用系統(tǒng)思維，從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能兩個(gè)層面運(yùn)用模型建構(gòu)的方法將整個(gè)高中階段該物質(zhì)的相關(guān)知識(shí)構(gòu)建成為體系，對(duì)其進(jìn)行全面復(fù)習(xí)，并達(dá)成充分訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維、發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。下面以ATP的復(fù)習(xí)為例進(jìn)行說明。

【例1】（2016屆，成都市三診，第29題）ATP酶復(fù)合體存在于生物膜上，其主要功能是將生物膜一側(cè)的H+搬運(yùn)到另一側(cè)，并催化ATP的形成。圖1表示ATP酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和主要功能，回答下列問題：

圖1

（1）ATP 酶復(fù)合體具有的功能說明膜蛋白具有_____功能。圖中 H+從 B 側(cè)運(yùn)輸?shù)?A 側(cè)的跨膜運(yùn)輸方式為_________ 。

（2）葉綠體中含有較多的ATP酶復(fù)合體，它分布在_____。ATP 酶復(fù)合體在線粒體中參與有氧呼吸第_________ 階段的反應(yīng)。

（3）科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種化學(xué)結(jié)構(gòu)與ATP相似的物質(zhì)GTP（三磷酸鳥苷）也能為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能量，請(qǐng)從化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度解釋 GTP 也可以供能的原因：___________ 。

【答案】（1）催化和運(yùn)輸 協(xié)助擴(kuò)散 （2）類囊體薄膜 三 （3）GTP含有兩個(gè)高能磷酸鍵，遠(yuǎn)離G的高能磷酸鍵易水解，釋放出大量能量

【解析】（1）題干中有指出ATP酶復(fù)合體的主要功能是將生物膜一側(cè)的H+搬運(yùn)到另一側(cè)，并催化ATP的形成，說明膜蛋白有催化和運(yùn)輸功能。從圖1中看出H+的運(yùn)輸借助載體（ATP酶復(fù)合體），但沒有消耗能量，且是從高濃度一側(cè)運(yùn)輸?shù)降蜐舛纫粋?cè)，因此為協(xié)助擴(kuò)散；（2）ATP酶復(fù)合體能催化ATP形成，葉綠體中合成ATP場(chǎng)所為類囊體薄膜，因此ATP酶復(fù)合體分布在類囊體薄膜。線粒體中合成ATP的場(chǎng)所有線粒體基質(zhì)和線粒體內(nèi)膜，由于ATP酶復(fù)合體存在于生物膜上，因此可知其分布在線粒體內(nèi)膜上，參與有氧呼吸第三階段；（3）GTP的化學(xué)結(jié)構(gòu)與ATP相似，因此推測(cè)GTP功能機(jī)制與ATP的相似，含有兩個(gè)高能磷酸鍵，遠(yuǎn)離G的高能磷酸鍵易水解，釋放出大量能量。

【說明】此題考點(diǎn)有（1）膜蛋白的功能、物質(zhì)運(yùn)輸方式的判斷、ATP酶復(fù)合體的分布與作用（ATP合成場(chǎng)所相關(guān)知識(shí)考查）；（2）GTP能為細(xì)胞生命活動(dòng)供能的原因分析（ATP分子結(jié)構(gòu)及其在能量代謝中的作用考查）。這三個(gè)小問都有許多學(xué)生失分，或因?qū)忣}看圖不仔細(xì)，或是語(yǔ)言表達(dá)不準(zhǔn)確，追根溯源是知識(shí)體系不全、思維訓(xùn)練不到位。對(duì)ATP的復(fù)習(xí)需要有系統(tǒng)思維，不能僅停留在對(duì)教材中ATP一節(jié)知識(shí)的認(rèn)知，還要與其他相關(guān)知識(shí)綜合構(gòu)建完善的知識(shí)體系。

筆者仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，ATP是類特殊的物質(zhì)，它是直接能源物質(zhì)，在考慮如何構(gòu)建知識(shí)體系時(shí)，可以從ATP分子物質(zhì)和能量的相關(guān)性入手，將細(xì)胞的物質(zhì)基礎(chǔ)、細(xì)胞代謝等知識(shí)內(nèi)容串聯(lián)成體系，梳理ATP的結(jié)構(gòu)與功能，同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生系統(tǒng)思維和模型構(gòu)建能力。

一、探究“物質(zhì)”相關(guān)性（ATP結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建）

首先結(jié)合人教版教材必修1第88頁(yè)“相關(guān)信息”在下面ATP的結(jié)構(gòu)式圖中標(biāo)注各部分名稱，也可嘗試學(xué)生自己畫出圖2 ATP的結(jié)構(gòu)式并與教材圖核對(duì)修正，在這個(gè)過程中識(shí)記ATP的結(jié)構(gòu)。

圖2

然后，為了進(jìn)一步加深對(duì)ATP分子組成、結(jié)構(gòu)相關(guān)性及可能的命題方向的了解，同時(shí)理清ATP的結(jié)構(gòu)及其與其他物質(zhì)的相關(guān)性，可以結(jié)合ATP結(jié)構(gòu)圖，請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)思考，如：ATP的組成元素、與ATP元素組成相同的物質(zhì)、研究元素組成的意義； 結(jié)合ATP的結(jié)構(gòu)“解釋ATP是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)”；ATP與RNA的關(guān)系；并嘗試區(qū)分圖3的圓圈中符號(hào)代表的含義等。

圖3

二、探究“能量”相關(guān)性（ATP功能模型構(gòu)建）

1.梳理ATP功能

首先引導(dǎo)學(xué)生歸納與能量相關(guān)的各種物質(zhì)。如：生物體內(nèi)可以提供能量的物質(zhì)；生命活動(dòng)的直接能源物質(zhì)；生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)；動(dòng)物細(xì)胞中特有的儲(chǔ)能物質(zhì)；生命活動(dòng)最終的能量來源等。

接下來要求學(xué)生畫出ATP與ADP相互轉(zhuǎn)化圖，根據(jù)能量來源和去路，在下面的橫線上填空，將這些能量關(guān)系繪成網(wǎng)絡(luò)圖（也可按照自己的思維習(xí)慣重新繪圖，將光合作用、細(xì)胞呼吸與ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)起來）。

圖4

為了進(jìn)一步理清ATP合成和水解與其他代謝過程、代謝場(chǎng)所等知識(shí)的關(guān)系，也為了理清相關(guān)的命題方向，可以結(jié)合圖4和教材知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考并回答下列問題：是否所有吸能反應(yīng)都與ATP水解有關(guān)、所有放能反應(yīng)都與ATP的合成有關(guān)； ATP合成場(chǎng)所、哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞合成ATP的場(chǎng)所、葉肉細(xì)胞在光照條件下與在黑暗條件下合成ATP的場(chǎng)所是否相同、無氧呼吸第二階段是否產(chǎn)生ATP并說明其原因；以上任何部位合成的ATP是否都能為各項(xiàng)生命活動(dòng)供能等。

同時(shí)結(jié)合以下例題和練習(xí)題進(jìn)行鞏固：

【例2】下列有關(guān)ATP的敘述，正確的是 （ ）

A.機(jī)體在運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗ATP，睡眠時(shí)不消耗ATP

B.葉肉細(xì)胞在白天能產(chǎn)生ATP，在晚上不能產(chǎn)生ATP

C.細(xì)胞中的吸能反應(yīng)常伴隨ATP的水解，放能反應(yīng)常伴隨ATP的合成

D.人體內(nèi)成熟的紅細(xì)胞在有氧情況下產(chǎn)生ATP，在無氧環(huán)境中不產(chǎn)生ATP

【答案】C

【解析】無論運(yùn)動(dòng)還是睡眠中機(jī)體均有ATP消耗，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；葉肉細(xì)胞晚上進(jìn)行細(xì)胞呼吸能產(chǎn)生ATP，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；細(xì)胞中的吸能反應(yīng)常伴隨ATP的水解，放能反應(yīng)常伴隨ATP的合成，C選項(xiàng)正確；人體內(nèi)成熟的紅細(xì)胞在有氧和無氧的情況下都進(jìn)行無氧呼吸，能產(chǎn)生ATP，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

【鞏固練習(xí)1】下列有關(guān)ATP的敘述，正確的是（ ）

①人長(zhǎng)時(shí)間劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，骨骼肌細(xì)胞中每摩爾葡萄糖生成ATP的量與安靜時(shí)相等 ②若細(xì)胞內(nèi)Na+濃度偏高，為維持Na+濃度的穩(wěn)定，細(xì)胞消耗ATP的量增加 ③人在寒冷時(shí)，腎上腺素和甲狀腺素分泌增多，細(xì)胞產(chǎn)生ATP的量增加 ④人在饑餓時(shí)，細(xì)胞中ATP與ADP的含量難以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡

A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ①④

【答案】B

【解析】劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，有的骨骼肌細(xì)胞進(jìn)行無氧呼吸，有的進(jìn)行有氧呼吸，而安靜時(shí)都進(jìn)行有氧呼吸，因此劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌細(xì)胞中每摩爾葡萄糖生成ATP的量與安靜時(shí)不相等，①錯(cuò)誤；若細(xì)胞內(nèi)Na+濃度偏高，為維持Na+濃度的穩(wěn)定，需要將細(xì)胞內(nèi)Na+逆濃度運(yùn)出細(xì)胞，屬于主動(dòng)運(yùn)輸，細(xì)胞消耗ATP的量增加，②正確；人在寒冷時(shí)，腎上腺素和甲狀腺素分泌增多，細(xì)胞呼吸加快，產(chǎn)生ATP的量增加，③正確；人在饑餓時(shí)，細(xì)胞中ATP與ADP之間仍然存在相互轉(zhuǎn)化，且含量處于動(dòng)態(tài)平衡，④錯(cuò)誤。

【鞏固練習(xí)2】下列有關(guān)植物細(xì)胞能量代謝的敘述，正確的是 （ ）

A.含有兩個(gè)高能磷酸鍵的ATP是DNA的基本組成單位之一

B.加入呼吸抑制劑可使細(xì)胞中ADP生成減少，ATP生成增加

C.無氧條件下，丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭倪^程中伴隨有ATP的合成

D.光照條件下葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體和葉綠體中都有ATP合成

【答案】D

【解析】ATP去除兩個(gè)磷酸基團(tuán)后余下部分為腺嘌呤核糖核苷酸，是RNA的基本組成單位之一，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；加入呼吸抑制劑會(huì)抑制細(xì)胞呼吸，ATP生成量減少，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；無氧呼吸第二階段不產(chǎn)生ATP，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；光照條件下葉肉細(xì)胞能進(jìn)行光合作用和有氧呼吸，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體和葉綠體中都有ATP合成，D選項(xiàng)正確。

以上是運(yùn)用系統(tǒng)思維、模型建構(gòu)思維進(jìn)行的ATP復(fù)習(xí)，既能體現(xiàn)對(duì)生命觀念的重視，又能對(duì)科學(xué)思維進(jìn)行訓(xùn)練，復(fù)習(xí)效果很好。DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶等生物體內(nèi)其他重要物質(zhì)的復(fù)習(xí)也可嘗試用這樣的方法，但每個(gè)物質(zhì)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，運(yùn)用系統(tǒng)思維和建模時(shí)更重要的是要根據(jù)物質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，找準(zhǔn)其側(cè)重點(diǎn)。例如2018年全國(guó)卷Ⅲ第30題恰好考查蛋白質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，這也反映出命題者對(duì)生物體內(nèi)重要物質(zhì)的關(guān)注。

【例3】（2018年，全國(guó)卷Ⅲ，第30題）回答下列與蛋白質(zhì)相關(guān)的問題：

（1）生物體中組成蛋白質(zhì)的基本單位是________ ，在細(xì)胞中合成蛋白質(zhì)時(shí)，肽鍵是在________ 這一細(xì)胞器上形成的，合成的蛋白質(zhì)中有些是分泌蛋白，如________ （填“胃蛋白酶”“逆轉(zhuǎn)錄酶”或“酪氨酸酶”），分泌蛋白從合成至分泌到細(xì)胞外需要經(jīng)過高爾基體，此過程中高爾基體的功能是_______ 。

（2）通常，細(xì)胞內(nèi)具有正常生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)需要有正確的氨基酸序列和________ 結(jié)構(gòu)。某些物理或化學(xué)因素可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，通常，變性的蛋白質(zhì)易被蛋白酶水解，原因是______________________________________________ 。

（3）如果DNA分子發(fā)生突變，導(dǎo)致編碼正常血紅蛋白多肽鏈的mRNA序列中一個(gè)堿基被另一個(gè)堿基替換，但未引起血紅蛋白中氨基酸序列的改變，其原因可能是_______________________________________________ 。

【答案】（1）氨基酸 核糖體 胃蛋白酶

對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分泌蛋白進(jìn)行加工、分類、包裝和轉(zhuǎn)運(yùn) （2）空間 變性蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)變得伸展、松散，更容易被水解 （3）突變前后mRNA上相應(yīng)密碼子對(duì)應(yīng)同一種氨基酸（密碼子的簡(jiǎn)并性）

【解析】（1）生物體中組成蛋白質(zhì)的基本單位是氨基酸，在細(xì)胞中合成蛋白質(zhì)時(shí)，肽鍵是在核糖體上經(jīng)脫水縮合形成的，細(xì)胞合成的胃蛋白酶需進(jìn)入消化道中發(fā)揮作用，是分泌蛋白，從合成至分泌到細(xì)胞外的過程中高爾基體的功能是對(duì)來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的分泌蛋白進(jìn)行加工、分類、包裝和轉(zhuǎn)運(yùn)。（2）通常，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)需要有正確的氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)才具有正常生物學(xué)功能。變性的蛋白質(zhì)易被蛋白酶水解原因是變性蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)變得伸展、松散，更容易被水解。（3）突變前后mRNA上相應(yīng)密碼子對(duì)應(yīng)同一種氨基酸（密碼子的簡(jiǎn)并性），不引起氨基酸序列的改變。

【說明】此題圍繞蛋白質(zhì)這一核心物質(zhì)，考查了其結(jié)構(gòu)和功能、分泌蛋白相關(guān)細(xì)胞器的功能、中心法則中翻譯環(huán)節(jié)的相關(guān)考點(diǎn)。對(duì)蛋白質(zhì)的復(fù)習(xí)可以考慮從其分類（結(jié)構(gòu)與功能）、中心法則方面構(gòu)建知識(shí)體系，將高中階段所有蛋白質(zhì)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行全面復(fù)習(xí)；對(duì)核酸的復(fù)習(xí)可以從其結(jié)構(gòu)和功能、中心法則方面構(gòu)建知識(shí)體系展開全面復(fù)習(xí)。對(duì)有能力的學(xué)生，教師可以指出要構(gòu)建知識(shí)體系的大體方向，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)體系，甚至提出并解決相關(guān)問題、找出相關(guān)典例，學(xué)會(huì)自主復(fù)習(xí)。